基于地面三維激光掃描的構(gòu)筑物精細(xì)變形監(jiān)測方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及測繪科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于地面三維激光掃描的構(gòu)筑物精 細(xì)變形監(jiān)測方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 各種大型基礎(chǔ)設(shè)施在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，新 的大型工程建設(shè)項(xiàng)目也在不斷出現(xiàn)。但是，隧道塌方、潰壩和橋梁垮塌等災(zāi)害的不斷發(fā)生， 嚴(yán)重危害了人類生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，對大壩、橋梁和隧道等典型構(gòu)筑物的變形監(jiān)測尤其重 要。
[0003] 變形監(jiān)測主要包括水準(zhǔn)儀、全站儀、GPS、近景攝影測量和三維激光掃描儀等測量 技術(shù)手段。全站儀和GPS等技術(shù)只能獲取離散有限的若干點(diǎn)，不能滿足對整個(gè)物體表面的 描述；攝影測量方法精度相對低，且無直接高程信息。三維激光掃描儀技術(shù)因其高密度、高 精度、實(shí)時(shí)的獲取物體表面的信息（3D坐標(biāo)、RGB/強(qiáng)度信息），在測繪科學(xué)領(lǐng)域一出現(xiàn)便獲 得了廣泛的興趣。不同于全站儀/GPS技術(shù)只能獲取有限的離散點(diǎn)坐標(biāo)，三維激光掃描儀采 集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以獲取整個(gè)物體表面的3D信息，實(shí)現(xiàn)了"所見即所測"。該特點(diǎn)在變形監(jiān) 測領(lǐng)域尤其重要，因?yàn)楸O(jiān)測過程中往往需要摸清的是整個(gè)物體表面的變形信息。這為變形 監(jiān)測研究提供了一種新的有效的理論技術(shù)方法。
[0004] 由于三維激光掃描儀采集數(shù)據(jù)的離散性，點(diǎn)云與被測物體表面的--對應(yīng)關(guān)系不 能確定，導(dǎo)致不同時(shí)刻的點(diǎn)云無法直接進(jìn)行比對。同時(shí)，由于掃描儀硬件本身的發(fā)展水平和 數(shù)據(jù)處理方法的不成熟，原始的點(diǎn)云雖然可以獲取物體表面的3D信息，卻往往不能直接滿 足變形監(jiān)測的精度要求。因此，有必要提出一種變形監(jiān)測方法，以解決三維激光掃描儀采集 的點(diǎn)云數(shù)據(jù)無法進(jìn)行構(gòu)筑物精細(xì)變形監(jiān)測的問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供一種基于地面三維激光掃描的構(gòu)筑物精細(xì)變 形監(jiān)測方法及系統(tǒng)，以解決三維激光掃描儀采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)無法進(jìn)行構(gòu)筑物精細(xì)變形監(jiān)測 的問題。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：
[0007] 第一方面，本發(fā)明提供一種基于地面三維激光掃描的構(gòu)筑物精細(xì)變形監(jiān)測方法， 包括：
[0008] SI.利用GPS或全站儀布設(shè)人工靶標(biāo)點(diǎn)，建立靶標(biāo)點(diǎn)監(jiān)測網(wǎng)；
[0009] S2.利用地面三維激光掃描儀采集不同時(shí)刻的構(gòu)筑物表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
[0010] S3.將靶標(biāo)點(diǎn)監(jiān)測網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)和地面三維激光掃描儀采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至同一參 考坐標(biāo)系；
[0011] S4.利用上述同一參考坐標(biāo)系中的數(shù)據(jù)對構(gòu)筑物幾何模型進(jìn)行判斷和擬合；
[0012] S5.根據(jù)擬合得到的構(gòu)筑物的幾何模型進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割成 若干個(gè)塊，每個(gè)塊擬合成一個(gè)代表點(diǎn)；
[0013] S6.對比不同時(shí)刻所述點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合得到的代表點(diǎn)的坐標(biāo)和向量的變化，進(jìn)行構(gòu) 筑物精細(xì)變形分析。
[0014] 其中，所述步驟S2包括：布設(shè)多個(gè)地面三維激光掃描儀掃描站點(diǎn)，根據(jù)幾何關(guān)系 或者特征點(diǎn)將各個(gè)掃描站點(diǎn)的點(diǎn)云分成塊，每個(gè)塊內(nèi)的點(diǎn)云通過最小二乘進(jìn)行擬合，估計(jì) 出塊點(diǎn)，并建立不同掃描站點(diǎn)的塊點(diǎn)之間的一一對應(yīng)關(guān)系，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)的匹配對。
[0015] 其中，所述步驟S3包括：
[0016] 把塊點(diǎn)和人工靶標(biāo)點(diǎn)同時(shí)作為同名點(diǎn)，將人工靶標(biāo)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)和不同掃描站點(diǎn) 的點(diǎn)云數(shù)據(jù)一次性轉(zhuǎn)換至參考坐標(biāo)系統(tǒng)中，根據(jù)七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型，通過嚴(yán)格的高斯-海爾 摩特模型進(jìn)行迭代計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)，其中，七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型為：
[0017]
[0018] 其中，j = l，2，...，p ;p代表同名點(diǎn)，包括人工靶標(biāo)點(diǎn)和所述點(diǎn)云數(shù)據(jù)的匹配對的 總數(shù)；i代表第i個(gè)掃描站點(diǎn)或人工靶標(biāo)點(diǎn)；m代表尺度因子，Y代表參考坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo) 向量；X代表人工革G標(biāo)點(diǎn)或掃描站點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)向量；ΔΧ為平移向量；R為旋轉(zhuǎn)矩 陣，由（ω, Φ, κ )三個(gè)旋轉(zhuǎn)角表示，其中七參數(shù)分別包括三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)、三個(gè)平移參數(shù)和 一個(gè)尺度參數(shù)。
[0019] 其中，所述步驟S4包括：
[0020] 根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行二次型擬合，依據(jù)行列式方法對構(gòu)筑物幾何模型進(jìn)行判斷和擬 合，二次型表示為：
[0021]
[0022] 其中，M是對稱系數(shù)矩陣；Xk是單個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)向量（k = 1，2. ..，η) ;η代表點(diǎn)的個(gè) 數(shù)；m是系數(shù)向量；α為尺度參數(shù)；
[0023] 根據(jù)二次型估計(jì)結(jié)果，利用點(diǎn)云自動(dòng)建立構(gòu)筑物的3D模型，所述構(gòu)筑物的3D模型 包括橢圓柱體、球體、平面體、圓錐體、橢球體或圓柱體。
[0024] 其中，所述步驟S5包括：
[0025] 將不同時(shí)刻的掃描數(shù)據(jù)依據(jù)二次型估計(jì)算法建立的統(tǒng)一框架模型，針對估計(jì)形狀 為橢圓柱體、球體、平面體、圓錐體、橢球體或圓柱體的構(gòu)筑物，將整個(gè)構(gòu)筑物表面分成若干 塊 Cri, Ci):
[0026]
[0027]
?
[0028] 其中，i = 1，2, . . .，η，η代表點(diǎn)的總個(gè)數(shù)；ceil代表對該數(shù)取整；妁和Θ。是局部 坐標(biāo)系統(tǒng)中的中心點(diǎn)的極坐標(biāo)；仍和Θ i是第i個(gè)點(diǎn)的極坐標(biāo)值；Δ θ、Δρ分別代表塊的垂 直角和水平角間隔；然后，每個(gè)塊通過最小二乘擬合成一個(gè)代表點(diǎn)象，塊中心點(diǎn)的極坐 標(biāo)表為：
[0029]
[0031] 其中u = 1，2, · · ·，m，v = 1，2, · · ·，η 氣和美分別代表塊中心點(diǎn)坐標(biāo)的水平角和
[0030] 垂直角坐標(biāo)；4和4分別為起始點(diǎn)水平角和垂直角坐標(biāo)；c。和r ν分別代表塊的行號 和列號；針對估計(jì)模型為3D平面的被測物體，根據(jù)點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo)進(jìn)行分割；
[0032] 將點(diǎn)云唯一的劃分到不同塊中，由于每個(gè)塊的體積很小，每個(gè)單獨(dú)的塊近似擬合 成平面，根據(jù)塊中心點(diǎn)，估計(jì)每個(gè)塊的代表點(diǎn)Xr，構(gòu)建不同時(shí)刻數(shù)據(jù)間--對應(yīng)關(guān)系。
[0033] 其中，所述步驟S6包括：
[0034] 代表點(diǎn)&的標(biāo)準(zhǔn)偏差A(yù)可表示為：
[0035]
[0036] 其中#和#分別為代表點(diǎn)&在X軸、y軸和ζ軸方向上的方差；通過對不同 時(shí)刻的構(gòu)筑物表面的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)對比，分析變化特點(diǎn)和趨勢。
[0037] 第二方面，本發(fā)明提供一種基于地面三維激光掃描的構(gòu)筑物精細(xì)變形監(jiān)測系統(tǒng)， 包括：
[0038] 靶標(biāo)點(diǎn)監(jiān)測網(wǎng)建立單元，用于利用GPS或全站儀布設(shè)人工靶標(biāo)點(diǎn)，建立靶標(biāo)點(diǎn)監(jiān) 測網(wǎng)；
[0039] 構(gòu)筑物表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集單元，用于利用地面三維激光掃描儀采集不同時(shí)刻的構(gòu) 筑物表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
[0040] 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換單元，用于將靶標(biāo)點(diǎn)監(jiān)測網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)和地面三維激光掃描儀采集的 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至同一參考坐標(biāo)系；
[0041] 構(gòu)筑物幾何模型擬合單元，用于利用上述同一參考坐標(biāo)系中的數(shù)據(jù)對構(gòu)筑物幾何 模型進(jìn)行判斷和擬合；
[0042] 點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割單元，用于根據(jù)擬合得到的構(gòu)筑物的幾何模型進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分 害J，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割成若干個(gè)塊，每個(gè)塊擬合成一個(gè)代表點(diǎn)；
[0043] 構(gòu)筑物變形分析單元，用于對比不同時(shí)刻所述點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合得到的代表點(diǎn)的坐標(biāo) 和向量的變化，進(jìn)行構(gòu)筑物精細(xì)變形分析。
[0044] 其中，所述構(gòu)筑物表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集單元，還用于布設(shè)多個(gè)地面三維激光掃描儀 掃描站點(diǎn)，根據(jù)幾何關(guān)系或者特征點(diǎn)將各個(gè)掃描站點(diǎn)的點(diǎn)云分成塊，每個(gè)塊內(nèi)的點(diǎn)云通過 最小二乘進(jìn)行擬合，估計(jì)出塊點(diǎn)，并建立不同掃描站點(diǎn)的塊點(diǎn)之間的一一對應(yīng)關(guān)系，得到點(diǎn) 云數(shù)據(jù)的匹配對。
[0045] 其中，所述坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換單元，具體用于：
[0046] 把塊點(diǎn)和人工靶標(biāo)點(diǎn)同時(shí)作為同名點(diǎn)，將人工靶標(biāo)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)和不同掃描站點(diǎn) 的點(diǎn)云數(shù)據(jù)一次性轉(zhuǎn)換至參考坐標(biāo)系統(tǒng)中，根據(jù)七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型，通過嚴(yán)格的高斯-海爾 摩特模型進(jìn)行